aire comprimido archivos - El blog de Víctor Yepes

Compresores de paletas o placas deslizantes

Compresor rotativo de placas deslizantes

Los compresores de paletas son máquinas de desplazamiento positivo de un solo eje con una relación de compresión fija. Están formados por un estator, o carcasa cilíndrica, y un rotor situado en su interior, que gira de forma excéntrica respecto al estator. El rotor dispone de varias ranuras longitudinales que alojan paletas deslizantes. Durante el funcionamiento, la fuerza centrífuga empuja las paletas hacia el exterior y las mantiene en contacto con la superficie interna de la carcasa. La disposición excéntrica del rotor provoca que el volumen comprendido entre dos paletas consecutivas varíe continuamente durante el giro. Cuando dicho volumen aumenta, se produce la aspiración del aire. A medida que disminuye, el aire queda atrapado y se comprime progresivamente hasta alcanzar la lumbrera de descarga.

La estanqueidad constituye uno de los aspectos más críticos de estos compresores. El contacto entre las paletas y la carcasa no garantiza un cierre hermético, por lo que es necesario inyectar grandes cantidades de aceite en el interior del equipo. Este aceite cumple tres funciones fundamentales: lubrica las superficies sometidas a fricción, absorbe parte del calor generado durante la compresión y forma una película hidrodinámica que sella las holguras entre los distintos elementos móviles. La elevada circulación de lubricante obliga a incorporar sistemas específicos para su recuperación y enfriamiento. Estos sistemas garantizan condiciones de funcionamiento adecuadas y contribuyen a prolongar la vida útil del compresor.

https://mecanicaelectric.blogspot.com/2012/08/compresor-de-aire-de-paletas-rotativas.html

Su campo de aplicación habitual corresponde a servicios de baja presión, generalmente entre 0,5 y 4 bares. Sin embargo, los modelos de dos etapas con refrigeración intermedia pueden alcanzar presiones de hasta 10 bares, lo que amplía sus aplicaciones en determinados equipos de obra. El rendimiento volumétrico suele situarse entre el 70 % y el 85 %, aunque este valor depende en gran medida del desgaste de las paletas.

Entre sus principales ventajas destacan el suministro continuo de aire, la ausencia de pulsaciones y el nivel reducido de vibraciones. También presentan una construcción compacta, especialmente interesante en la maquinaria móvil, donde el espacio disponible es limitado. Como contrapartida, su rendimiento energético suele ser inferior al de los compresores alternativos convencionales. Además, tienden a perder estanqueidad tras largos periodos de servicio debido al desgaste por fricción de las paletas. Para facilitar las operaciones de mantenimiento, los fabricantes suelen diseñar carcasas de fácil acceso. De este modo, la inspección y la sustitución de las paletas pueden realizarse con rapidez tanto en tareas preventivas como correctivas.

Durante muchos años, el uso de los compresores de paletas deslizantes fue escaso. Posteriormente, la mejora de sus prestaciones permitió ampliar su campo de aplicación. A pesar de ello, su empleo en el sector de la construcción sigue siendo poco frecuente. En las aplicaciones industriales más recientes, las paletas se fabrican habitualmente con materiales compuestos autolubricantes. Estos materiales reducen el consumo de aceite y prolongan la vida útil de los elementos sometidos a desgaste.

En este vídeo se explica con claridad el funcionamiento del compresor de placas deslizantes.

Este otro vídeo, muy sencillo y didáctico, compara el compresor de pistón con el de paletas.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Conducciones de aire comprimido

Las distintas herramientas neumáticas que se emplean en obra deben conectarse al grupo motocompresor mediante tuberías. Por ellas circula el aire a la presión que exigen conjuntamente la herramienta y el compresor. Una red de tuberías y mangueras transporta el aire comprimido desde el punto de producción hasta los puntos de consumo. El punto de producción está formado por el compresor y el depósito. En los puntos de consumo se conectan herramientas neumáticas, máquinas de perforación, equipos de inyección y otros elementos. Las tuberías principales suelen ser metálicas, generalmente de acero o de aluminio en instalaciones temporales. Los ramales secundarios, en cambio, suelen ser flexibles, de goma o de plástico reforzado, lo que facilita su conexión con las máquinas de obra.

La tubería empleada en la obra es, en general, flexible. Está formada por un tubo de goma recubierto con varias capas de algodón trenzado e impregnado con caucho. Cuando el diámetro y la presión de trabajo lo exijan, puede sustituirse por un trenzado de hilos de acero. Las tuberías flexibles deben cumplir requisitos específicos en cada una de sus capas. La capa interior debe resistir la acción química del aceite mineral que transporta el aire, así como la presión del aire comprimido. Las capas intermedias deben soportar la presión interna y permitir la flexión de la tubería. La capa exterior de caucho debe proteger el conjunto frente a golpes, rozaduras, la exposición solar y temperaturas extremas.

Estas tuberías reciben el nombre de mangueras en su tramo final, que se conecta directamente a la herramienta. Como medida de seguridad frente a posibles roturas y pérdidas, se prueban a presiones tres veces superiores a la de trabajo. Las juntas de unión pueden ser elásticas o rígidas. Conectan los tramos flexibles con los elementos rígidos mediante enchufes, reforzados con abrazaderas que reducen al máximo cualquier fuga de aire, por pequeña que sea. Algunas mangueras presentan una capa exterior porosa, diseñada para evitar que se formen bultos al filtrarse el aire a través de las capas intermedias. Si se produce una avería, la manguera puede cortarse y empalmarse mediante un acoplamiento. Conviene tener en cuenta que este nuevo elemento introduce una pérdida de carga puntual.

La red de distribución de aire comprimido está formada por un conjunto de tuberías principales y ramales que transportan el fluido desde el sistema de producción, compuesto por el compresor y el depósito de almacenamiento, hasta los puntos de consumo, donde se conectan herramientas neumáticas, equipos de perforación, sistemas de inyección y otros dispositivos. Las conducciones principales suelen ser metálicas, siendo el acero el material más empleado por su resistencia y durabilidad, aunque en instalaciones temporales pueden utilizarse aleaciones ligeras como el aluminio. Los ramales secundarios suelen ser flexibles, fabricados con materiales poliméricos reforzados, lo que facilita su adaptación a las condiciones variables de la obra.

Instalación de aire comprimido para uso con herramientas neumáticas. https://climapal.es/aire-comprimido/

Las pérdidas de presión en la red dependen de diversos factores, entre los que destacan la longitud de las conducciones, el caudal circulante, la rugosidad interna y el diámetro de las tuberías. De acuerdo con las formulaciones derivadas de la ecuación de Darcy–Weisbach, dichas pérdidas son aproximadamente proporcionales a la longitud y al cuadrado del caudal, y presentan una fuerte dependencia inversa del diámetro interior, cuya influencia puede aproximarse mediante potencias elevadas en régimen turbulento. Este hecho pone de manifiesto la importancia de un dimensionamiento adecuado de la red para garantizar un funcionamiento eficiente.

A las pérdidas continuas asociadas al rozamiento se suman las pérdidas singulares, originadas en elementos como codos, válvulas, empalmes y cambios de sección, que pueden representar una fracción significativa de la pérdida total de presión si no se diseñan adecuadamente.

En cuanto a las fugas, su control es esencial para la eficiencia energética del sistema. En términos orientativos, diversas guías técnicas consideran que una instalación presenta un nivel muy bueno de estanqueidad cuando las fugas no superan aproximadamente el 5 % del caudal total. Valores comprendidos entre el 10 % y el 15 % suelen considerarse aceptables en instalaciones convencionales. Sin embargo, en sistemas deficientemente mantenidos, las fugas pueden alcanzar entre el 20 % y el 30 % del aire producido, lo que implica un incremento muy significativo del consumo energético.

Como referencia orientativa, las pérdidas de presión en las conducciones pueden estimarse mediante valores medios por unidad de longitud en condiciones de funcionamiento típicas. En conducciones metálicas pueden alcanzarse valores del orden de 0,22 bar por cada 100 metros de tubería principal, mientras que en mangueras flexibles pueden presentarse pérdidas de magnitud similar a lo largo de longitudes del orden de 50 metros. En cualquier caso, estos valores dependen de las condiciones específicas de funcionamiento, por lo que en el diseño se recomienda limitar la pérdida total de presión a valores reducidos, del orden de 0,3 bar, a fin de garantizar un suministro adecuado en los puntos de consumo.

https://www.novatec.cr/productos/tuberia-en-aluminio-para-aire-comprimido-y-gases-inertes/

Cuando la presión efectiva disponible en dichos puntos desciende por debajo de ciertos umbrales, del orden de varios bares según el equipo, se observa una disminución apreciable de la potencia útil de las herramientas neumáticas, lo que se traduce en menor productividad, mayor tiempo de ejecución y un funcionamiento menos estable.

En consecuencia, el diseño de la red de conducciones debe integrar diversos aspectos. Por un lado, requiere una selección adecuada de diámetros y una disposición de tuberías con recorridos cortos y pocos cambios de dirección. Por otro lado, exige un plan de mantenimiento de las uniones y las mangueras. Solo así se minimizan tanto las pérdidas de carga como las fugas, garantizando la fiabilidad y la eficiencia de la maquinaria neumática en obra.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Depósitos de almacenamiento de aire comprimido

Una instalación de aire comprimido incorpora uno o varios depósitos acumuladores, habitualmente denominados calderines, cuyo tamaño se adapta a la capacidad del compresor, al sistema de regulación, a la presión de trabajo y a las variaciones en el consumo de la obra o de la planta.

El depósito, que consiste en un cilindro de acero en disposición horizontal o vertical, se diseña conforme a lo establecido en el reglamento de equipos a presión y sus instrucciones técnicas complementarias, lo que implica el cálculo de espesores, la realización de pruebas de presión, la ejecución de soldaduras homologadas y la elaboración de la documentación necesaria para su puesta en servicio.

Los depósitos se dotan de manómetro, válvulas de seguridad frente a sobrepresión, puerta de registro para inspección interior y grifo de purga situado en el punto más bajo, destinado a evacuar el agua condensada, el aceite y las partículas sólidas acumuladas en el fondo.

Las funciones principales del depósito de almacenamiento son las siguientes: almacenar aire comprimido para atender demandas que superen momentáneamente la capacidad del compresor; contribuir al enfriamiento del aire y facilitar la eliminación de humedad residual mediante purgas; igualar las variaciones de presión en la red y amortiguar las pulsaciones de caudal propias de los compresores alternativos; y regular las demandas punta, evitando arranques y paradas frecuentes del compresor con la consiguiente reducción del consumo energético. De forma orientativa, se recomienda un volumen de acumulación de entre 6 y 10 litros por cada litro por segundo de caudal del compresor, según la estabilidad requerida por la instalación.

La capacidad del depósito V, expresada en metros cúbicos, puede calcularse en función del caudal aspirado Q del compresor, expresado en metros cúbicos por minuto: V=1,12·√Q

Calderín de aire comprimido en una instalación.

Os dejo un vídeo explicativo. Espero que os resulte de interés.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Nomograma para la ley de los gases ideales

https://retoexperimenta.es/2022/que-es-la-ley-de-los-gases-ideales/

Un gas ideal es una representación teórica de un conjunto de partículas que se mueven de forma puntual y aleatoria, sin interactuar entre sí. Este concepto resulta fundamental porque los gases ideales siguen la ley de los gases ideales, una ecuación de estado simplificada que se analiza a través de la mecánica estadística.

En condiciones normales, como las que corresponden a la presión y temperatura habituales, la mayoría de los gases reales exhiben un comportamiento cualitativamente similar al de un gas ideal. Por lo general, la desviación del comportamiento ideal es más evidente a temperaturas más bajas o a presiones más elevadas, donde las fuerzas intermoleculares adquieren mayor relevancia. Esto se debe a que, en tales condiciones, el trabajo ejercido por estas fuerzas es más significativo en comparación con la energía cinética de las partículas, y el tamaño de las moléculas resulta más crítico en relación con el espacio vacío entre ellas.

Sin embargo, el modelo del gas ideal tiende a no ser preciso a temperaturas muy bajas o a presiones elevadas, donde las fuerzas intermoleculares y el tamaño de las moléculas desempeñan un papel crucial. Además, por lo general, no es adecuado para gases más densos, como el vapor de agua o muchos fluidos refrigerantes. En condiciones de temperaturas bajas y presiones elevadas, los gases reales pueden experimentar una transición de fase hacia un estado líquido o sólido, un fenómeno que el modelo del gas ideal no puede describir ni permitir. En estos casos, se requieren ecuaciones de estado más complejas para modelar estos comportamientos.

La ecuación que vincula las variables P, V y T para una cantidad específica de gas se conoce como la ecuación de estado. Para ilustrar, si tenemos información sobre la presión y el volumen, podemos determinar la temperatura mediante la ecuación de estado. En el caso de un gas ideal, la ecuación de estado específica es P·V=n·R·T. El concepto de gas ideal representa una extrapolación del comportamiento de los gases reales en condiciones de baja densidad y presión hacia un comportamiento ideal. No obstante, para densidades y presiones más elevadas, es necesario aplicar ciertas correcciones a esta ecuación para que sea aplicable a gases reales.

A continuación os dejo un nomograma elaborado en colaboración con el profesor Pedro Martínez Pagán, de la Universidad Politécnica de Cartagena, donde se puede calcular gráficamente la ecuación de estado para un gas ideal. En este caso, se ha calculado el volumen de un mol de un gas ideal a 1 atmósfera y 0 °C, que es de 22,4 litros. Espero que os sea de interés.

Aquí tienes un par de vídeos explicativos que, espero, sea de tu interés.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Contención del agua mediante escudos de aire comprimido

Figura 1. Distribución de presiones en el frente del escudo

La necesidad de equilibrar suelos inestables que además se encuentran bajo el nivel freático, ha desarrollado un conjunto de escudos con diversas tecnologías que estabilizan el frente empleando aire comprimido, lodos o las propias tierras extraídas en la excavación.

El aire comprimido es el sistema más antiguo empleado como medio de estabilización en la excavación de túneles. En 1874, James H. Greathead plantea el primer escudo que utiliza aire comprimido, aunque no se llegó a emplear. En 1879, De Witts Haskins maneja por primera vez la presurización a 0,24 MPa en la construcción del túnel en Nueva York, bajo el río Hudson, y del túnel Antwerp Docks recurriendo a dovelas de fundición.

En sus primeras aplicaciones se utilizaron escudos abiertos con una presurización integral del túnel, para construir túneles bajo niveles freáticos poco importantes (0,1 a 0,2 MPa), entre el frente y la esclusa inicial de entrada. En el frente bastaban simples escudos de entibación u otros con rueda abierta, pues el único condicionante era disponer un frente con un coeficiente de permeabilidad al aire bajo, compuesto en su mayoría por arenas finas, arcillas y limos. Estos escudos tenían acceso al frente de excavación por medio de dos sistemas de esclusas de cierre hermético: una para la entrada y salida del personal, y otra para la evacuación del escombro.

Sin embargo, es a partir de los años 1950-60 cuando se reconocen los problemas que plantea el trabajo prolongado en condiciones hiperbáricas. En efecto, cualquier pérdida de aire podría implicar un desastre de enormes proporciones.

En terrenos con frentes con suelos granulares no cohesivos, el riesgo es alto de accidentes debido a la inestabilidad del frente por su rotura. Además, los rendimientos son muy bajos, pues la entrada al túnel del personal y la maquinaria se hace a través de esclusas para mantener la presión. Incluso trabajando por debajo de los 0,3 MPa, se exigen tiempos de descompresión cercanos a las 4 horas, por lo que solo son útiles de 2 a 3 horas por turno, lo cual dispara los costes.

Los inconvenientes de esta forma de trabajo, especialmente por razones de seguridad y salud para los operarios, han eliminado por completo la presurización integral del túnel. Sin embargo en escudos cerrados, el aire comprimido cuando el terreno reúne las condiciones necesarias, puede ser un medio de estabilización eficaz, aplicable en combinación con otros medios de sustentación. Por tanto, se presuriza exclusivamente el terreno del frente, es decir, el espacio comprendido entre la rueda de corte y un mamparo, que es lo que se denomina “cámara de tierras”. De esta forma, se aísla la presión del resto de la máquina, pudiendo los operarios trabajar a presión atmosférica. Hoy día solo se entra en la cámara presurizada para la revisión de la rueda de corte y la reposición de herramientas, siempre con la máquina parada. De todas formas, los escudos de aire comprimido apenas se utilizan hoy en día, pues el aire comprimido complica mucho la organización de la obra. Solo se emplean en labores complementarias o túneles muy cortos y siempre con presiones inferiores a unos 0,3 MPa.

El reparto desigual de presiones sobre el frente de excavación, puede ser un inconveniente tanto más importante cuanto mayor sea la altura del escudo según se aprecia en el esquema siguiente: en escudos de grandes dimensiones la diferencia de cota entre la solera y la clave del túnel, puede llegar a establecer importantes diferencias de presión. Para una diferencia h₂ – h₁ » 10 m la sobrepresión en clave sería del orden de una atmósfera.

Por otra parte, para que el aire comprimido sea un medio efectivo de sostenimiento arenas o gravas, es necesario que el suelo contenga una proporción mínima (>10 %) de finos, es decir, son necesarios terrenos muy homogéneos. En el caso de materiales no cohesivos con riesgo de roturas del frente, se prefieren otro tipo de escudos, tal y como se describirá en lecciones posteriores.

Los principales componentes de un escudo de aire comprimido son los siguientes:

Cabeza de corte, formada por cuchillas y dientes
El escudo cilíndrico de protección. Su parte frontal está cerrada por un mamparo que separa la cámara presurizada donde está la cabeza de corte, del resto
Gatos hidráulicos de empuje horizontal

En estos escudos la extracción del escombro se realiza hasta la zona despresurizada a través de un tornillo sinfín, que puede descargar en una válvula esférica rotativa. Cuando existen dificultades, se pueden adicionar espumas o polímeros para conformar un gel viscoso manejable.

Existe un tipo especial de tuneladora denominada escudo abierto de aire comprimido, donde la excavación se realiza con un minador puntual o rozadora, mientras que el frente se sostenien con aire comprimido.

La realidad, la presurización neumática actual de la cámara frontal del escudo queda reducida a situaciones de emergencia en escudos de presión de lodos o de tierras para, mediante una esclusa situada en la cabeza de la máquina, permitir el acceso para la sustitución de picas, reparar o solucionar alguna situación inesperada.

Referencias:

GALLO, J.; PÉREZ, H.; GARCÍA, D. (2016). Excavación, sostenimiento y técnicas de corrección de túneles, obras subterráneas y labores mineras. Universidad del País Vasco, Bilbao, 277 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
MENDAÑA, F.; FERNÁNDEZ, R. (2011). Hidroescudos y tuneladoras E.P.B. Campos de utilización. Revista de Obras Públicas, 3525:67-86
YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Compresor de pistón

Un compresor de pistón, compresor volumétrico alternativo o compresor de émbolo es un compresor de gases que funciona por el desplazamiento de un émbolo dentro de un cilindro (puede tener varios) movido por un cigüeñal para obtener gases a alta presión. El gas a comprimir entra, a presión ambiental, por la válvula de admisión en el cilindro, donde se comprime con el pistón, que tiene un movimiento alternativo mediante un cigüeñal y un biela, y se descarga, comprimido, por la válvula de descarga.

Es uno de los compresores más antiguos y conocidos, aunque hoy se emplean especialmente los compresores rotativos. El principio de funcionamiento del compresor alternativo, basado en el desalojamiento del aire por el émbolo, permite fabricar máquinas con pequeño diámetro y un recorrido insignificante del pistón, que desarrollan alta presión con un caudal relativamente pequeño.

Los compresores de pistones pueden clasificarse atendiendo a distintas características:

Por el número de cilindros:

Monocilíndricos.
Bicilíndricos.
Policilíndricos

Por la forma de trabajar el émbolo:

De simple efecto: la compresión se efectúa por una cara del pistón.
De doble efecto: la compresión se realiza por las dos caras del pistón

Por el número de etapas empleadas en la compresión:

Monoetápico.
Bietápicos.
Polietápicos.

Por la disposición de los pistones:

Horizontales.
Verticales.
En V.
A escuadra.

Los compresores monoetápicos son de poca potencia. La presión final alcanzada es de 4 a 5 bares, con una temperatura de salida entorno a los 180ºC (±20ºC). La refrigeración es por aire. Los compresores bietápicos son los más utilizados. Primero se llega de 2 a 3 bares para luego alcanzar unos 8 bares, con una temperatura de salida de 150ºC (±15ºC). La refrigeración puede ser por aire con un ventilador o por una corriente de agua.

Algunos de los compresores más habituales en el mercado presentan las siguientes características:

De simple efecto, monoetápicos y refrigeración por aire: capacidad hasta 1 m³/min, relación potencia (CV)/capacidad (m³/min) inferior a 10.
De simple efecto, bietápicos y refrigeración por aire: capacidad de 2 a 10 m³/min, relación potencia (CV)/capacidad (m³/min) de 7,5 a 8,5.
De doble efecto, bietápicos y refrigeración por agua: capacidad de 10 a 100 m³/min, relación potencia (CV)/capacidad (m³/min) de 6,5 a 7,5.

En la Figura siguiente se representan las cuatro fases del ciclo termodinámico que se desarrollan en el caso más simple de un compresor monoetápico de un cilindro de simple efecto.

Fase 1, admisión (4-1): Con la válvula de aspiración abierta, el pistón situado en el punto 4 inicia su avance hasta el 1 en el que se cierra la válvula. Entra aire a una presión P₁.
Fase 2, compresión (1-2): Al cerrarse la válvula de admisión, el pistón retrocede hasta 2 y el aire se comprime hasta la presión P₂.
Fase 3, expulsión (2-3): En 2 se abre la válvula de expulsión y el pistón al seguir retrocediendo hasta 3 va expulsando el aire y dejando el volumen V₃ correspondiente al espacio muerto del cilindro.
Fase 4, expansión (3-4): En 3 se cierra la válvula de expulsión y el aire encerrado en el cilindro se expansiona haciendo avanzar el pistón hasta 4. En ese instante se abre la válvula de admisión, reiniciándose de nuevo el ciclo.

Ciclo termodinamico piston — Ciclo termodinámico de un compresor alternativo de un cilindro

Os dejo a continuación una animación sobre un compresor de pistón de doble efecto:

También os dejo una presentación del profesor Pedro Loja sobre el compresor de pistón:

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Cimentación mediante cajones de aire comprimido

Disposición general de un cajón neumático (adaptado de Wilson y Sully, 1949)

Un cajón es una estructura que hundida a través del terreno o del agua permite colocar la cimentación a la profundidad de proyecto, y que posteriormente pasa a formar parte de la estructura definitiva. Estos cajones pueden ser de fondo abierto o de fondo cerrado (ver cajones flotantes). Nos centraremos en este post en los cajones de fondo abierto en las que existe una cámara de trabajo sometida a una presión superior a la atmosférica para impedir que el agua entre en la excavación. Se trata de las cimentaciones mediante cajones neumáticos o de aire comprimido.

Alguien puede preguntarse a qué viene un post sobre una técnica que tiene riesgos evidentes de ejecución y que ya en un artículo de Presa y Eraso (1970) nos avisaba que era una técnica en trance de desaparecer. Hoy día existen procedimientos (por ejemplo pilotes de gran diámetro) que son más sencillos de construir, suficientemente seguros, rápidos y económicos que permiten evitar riesgos innecesarios, especialmente los procesos de compresión y descompresión que requieren tiempos suficientes, tal y como ocurre en los trabajos realizados por los buzos o submarinistas. Pues bien, razones históricas y docentes nos llevan a analizar brevemente este procedimiento constructivo y a dejar unas cuantas referencias al lector curioso que quiera ampliar información al respecto.

En 1830 el británico Thomas Cochrane ideó y patentó un sistema para cimentar en seco, mientras que en Francia, de forma paralela, el ingeniero de minas francés Jacques Triger ideó en el año 1839 un sistema para poder excavar en el interior de la mina de Chalonnes -que dirigía- en la zona cubierta por el agua del cercano río Loira. Mediante una cámara llena de aire a presión conseguía evitar la entrada del agua y así poder trabajar cómodamente. Habían inventado el cajón de aire comprimido.

Puente de Saltash (Isambar Brunel, 1854-1859)

El aire comprimido fue empleado por primera vez en cajones de puentes por John Wright en 1851 para los pilares de puente Rochester, y algunos años más tarde por Isambard Brunel en el puente Saltash. El primero que lo utilizó en cimentaciones de puentes muy grandes fue James B. Eads, en el puente St. Louis sobre el río Mississippi, comenzado en 1864. El capitán Eads conocía muy bien el Mississippi, por eso sabía que el lecho era muy socavable. En una ocasión había buceado con escafandra durante una de las crecidas del rió y pudo observar el movimiento de las arenas del fondo. Por eso no dudó en bajar las cimentaciones a gran profundidad por debajo del lecho del río. Los dos pilares situados en el río se hundieron por medio de aire comprimido hasta profundidades de 26 y 28 m bajo el nivel del agua, lo que constituyó un éxito notable ya que los efectos fisiológicos al trabajar bajo elevadas presiones de aire eran más o menos desconocidos por aquel tiempo. Los métodos de hundimiento ideados por Eads han variado hasta ahora únicamente en algunos detalles. Daniel E. Moran introdujo en 1936 un nuevo tipo de cajón conocido con el nombre de “cajón de flotación”, siendo empleado para el puente sobre la bahía de San Francisco-Oakland.

: Puente de Brooklyn, Nueva York (John Augustus Roebling, 1867-1883)

En Estados Unidos el ejemplo más llamativo en el uso de cajones de aire comprimido es el puente de Brooklyn. Se trata de cajones de 52 por 31 m, en el lado de Nueva York, que se dividieron en seis habitaciones donde trabajaban entre 15 y 20 personas en cada una de ellas –hasta 180 personas en su interior- y lo bajaron cerca de 24 metros bajo las aguas del East River. Hubieron grandes problemas y accidentes con las descompresiones, donde la mitad de los trabajadores sufrieron graves secuelas, y donde el propio Washington Roebling, ingeniero jefe tras la muerte de su padre John A. Roebling, diseñador del puente, sufrió también las secuelas tras una visita de obra.

: El procedimiento constructivo consiste en la hinca de un cajón con su borde inferior biselado o con forma de cuchilla que se va construyendo a medida que progresa la excavación del material que va quedando encerrado en su interior. Cuando se alcanza el lecho de roca, la cámara de trabajo se llena de hormigón y se convierte en la base permanente para la cimentación. Su uso se limita a terrenos muy permeables o flojos debido al posible sifonamiento, cuando no sea posible el uso de un método alternativo. Antes de iniciar el proceso constructivo se hunde como un cajón abierto, tan profundo como sea posible. Mediante la inyección de aire comprimido se evita el desmoronamiento de las paredes.

El cajón de aire comprimido suele tener un cilindro de acceso para los trabajadores, y otro cilindro independiente para los cangilones donde se coloca el material excavado. Hay unas compuertas herméticas que permiten mantener constante la presión de la campana durante la entrada y la salida de trabajadores y materiales. La presión debe equilibrarse en ambos lados de la compuerta para poder abrirla.

Mediante este método se pueden llegar a estratos de hasta 35 m de profundidad bajo el nivel del agua (pues los hombres on pueden trabajar a presiones de aire superiores a los 3,5 kg/cm2), no es necesario el agotamiento, es posible el acceso directo al fondo para vencer ciertos obstáculos durante el proceso de hinca y el fondo, una vez alcanzado, se puede observar y limpiar directamente, por lo que se garantiza unas condiciones buenas de cimentación. Sin embargo, entre los inconvenientes de este tipo de técnica destacan los siguientes: costes unitarios por material excavado altos y primas por peligrosidad a los trabajadores, pues se puede producir la muerte de los trabajadores por asfixia si hay una descompresión rápida de la cámara de trabajo. Ello obliga a duplicar las fuentes de energía para mantener la seguridad en la presión de aire.

Referencias:

Marsal, R.; Lloréns, M. (1980). Cimentaciones semiprofundas, en Jiménez-Salas, J.A. (Ed.) Geotecnia y Cimientos III: 212-251. Editorial Rueda, Madrid.

Presa, J.; Eraso, A. (1970). Las cimentaciones realizadas con cajones de aire comprimido. Una técnica en trance de desaparecer. Revista de Obras Públicas, 117(3064):855-862.

Tomlinson, M.J. (1982). Diseño y construcción de cimientos. Urmo, S.A. de Ediciones, Bilbao.

Willson, W.S.; Sully, F.W. (1949). Compressed-air caisson foundations. Inst. C.E. Works Comstruction Paper núm. 13.

Yepes, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.